Elektróda folyamatok. A potenciálugrások és az elektromotoros erő (EMF) fogalma. Elektrokémiai áramkörök, galvánelemek. Szabványos hidrogénelektróda, standard elektródpotenciál. Az elektrokémiai áramkörök és elektródák osztályozása.
9. ELŐADÁS
Az elektromos és kémiai energiaformák kölcsönös átalakulása elektrokémiai rendszerekben történik, beleértve:
ª a második típusú vezetők - ionos vezetőképességű anyagok (elektrolitok).
ª első típusú vezetők - elektronikus vezetőképességű anyagok.
Két fázis határfelületén elektromos töltésátvitel történik, azaz. potenciálugrás () történik.
Az első és második típusú érintkező vezetékekből álló rendszert nevezzük elektróda.
Az elektródákban az első és második típusú vezetők határfelületén lezajló folyamatokat nevezzükelektróda eljárások .
Az elektróda legalább két fázisból álló rendszer.
Vizsgáljuk meg, hogyan történik potenciálugrás – az elektródpotenciál – a fém és ennek a fémnek a sóoldata közötti határfelületen. Ha egy fémlemezt sóoldatba merítünk, a lemez felületéről a fémionok egy része átjuthat a lemez felületével szomszédos oldatba. A fém negatív töltésűvé válik, és a keletkező elektrosztatikus erők megakadályozzák ennek a folyamatnak a további előfordulását. Az egyensúly létrejön a rendszerben. A fémkationok oldatból lemezre történő átvitelének fordított folyamata is lehetséges. Ezek a folyamatok kettős elektromos réteg megjelenéséhez és potenciálugráshoz vezetnek.
A fémion transzfer folyamatának irányát az oldatfázisban és a kondenzált fázisban lévő ionok elektrokémiai potenciáljainak () aránya határozza meg. A folyamat az elektrokémiai potenciálok két fázisban történő kiegyenlítéséig folytatódik.
Az elektrokémiai potenciál két tagból áll
m chem. - kémiai potenciál, amely az adott részecske környezetében bekövetkezett változásokra adott kémiai választ jellemzi.
m el - az elektrokémiai potenciál elektromos komponense vagy az elektromos tér potenciális energiája, amely az elektromos térre adott választ jellemzi.
Egy bizonyos típusú töltött részecskék esetében (i)
z i- ion töltés,
– belső potenciál, amely megfelel egy elemi negatív töltés átvitelének a végtelenből vákuumban a fázis mélyére.
Az elektrokémiai rendszer egyensúlya a különböző fázisokban lévő töltött részecskék elektrokémiai (és nem kémiai) potenciáljának egyenlősége jellemzi.
Az (I) oldat/fém (II) egyensúlyi rendszerben:
Egy nem egyensúlyi rendszerben egy mólegyenérték átvitelének munkája. ionok az I. fázisból a II. fázisba egyenlő
Azóta
Egyensúlyban, figyelembe véve (1) a következőket kapjuk:
hol van az ugrás a határfelületen (abszolút elektródpotenciál). Jelöljük
hol van a potenciál ugrás az at interfészen és én = 1 (szabványos elektródpotenciál).
A standard potenciál egy adott elektródfolyamat jellemző értéke. Ez a hőmérséklettől és az elektróda jellegétől függ. Ezután egy Me Z+ /Me típusú elektródához:
Egy potenciálugrás is fellép két megoldás határfelületén, ez a diffúziós potenciál.
Általánosságban (bármilyen típusú elektródához):
vagy 298 K-ért
Emlékeztetni kell arra, hogy ha gázok vesznek részt az elektród reakciójában, akkor az aktivitást egyenlőnek kell tekinteni a parciális nyomással; állandó összetételű kondenzált fázisra, A=1.
Az (1), (2) egyenleteket nevezzük Nernst egyenletek az elektródpotenciálhoz. Az elektromos potenciálkülönbség kísérletileg csak két azonos fázisú pont között mérhető, ahol μ én = const. Amikor egy elemi töltés két különböző fázisban elhelyezkedő pont között mozog, az elektromos töltés mellett a töltés kémiai környezetének megváltozásával járó munkát kell végezni. A munka ezen kémiai komponensének nagysága nem határozható meg, így az elektródpotenciál abszolút értéke nem mérhető. Kísérletileg csak a két elektródából álló galvánelem EMF-jének nagyságát lehet meghatározni.
Az elektródák és elektrokémiai áramkörök rögzítésének szabályai.
Azokat a rendszereket, amelyek két vagy több elektródából álló, speciális módon összekapcsolt, elektromos munkát végezni képes, azaz elektromos energiaforrásként szolgáló rendszereket ún. galvanikus cellák.
A galvánelem elektromotoros ereje(EMF GE) az elektródpotenciálugrások összege minden fázishatáron egyensúlyi feltételek mellett (a külső áramkörben az áram nulla).
a) Az elektródáknál a következő rögzítési szabályokat kell alkalmazni: az oldatban lévő anyagokat a függőleges vonal bal oldalán, a másik fázist (gáz vagy szilárd) alkotó anyagokat a jobb oldalon jelölik.
Ha egy fázis több anyagot tartalmaz, akkor ezek szimbólumait vesszővel kell elválasztani.
Például,
Az egyes elektródák elektróda reakcióegyenlete úgy van felírva, hogy az oxidált formában lévő anyagok és az elektronok a bal oldalon, a redukált formájú anyagok pedig a jobb oldalon helyezkedjenek el:
b) A galvánelemek rögzítésekor a bal oldalon egy negatívabb potenciálú elektróda található; mindkét elektróda oldatát függőleges szaggatott vonal választja el egymástól, ha érintkezik egymással, és két folytonos vonal, ha az oldatok között sóhíd van, például telített KCl oldat. amelyekből a diffúziós potenciál megszűnik. Így a pozitív töltésű elektródát mindig a jobb oldalon, a negatív töltésűt a bal oldalon jelezzük.
Elektróda , amelyen folyik oxidációs folyamat, hívott anód ().
Az elektróda, amelyen az áramlás megtörténik helyreállítási folyamat, hívott katód ().
A katódon és az anódon zajló reakciókat ún elektród reakciók.
A galvánelemben végbemenő teljes kémiai folyamat elektródfolyamatokból áll, és a következő egyenlettel fejezzük ki:
Ha egy galvánelemben az elektródák és a kémiai reakciók előre (az elem működése közben) és visszafelé (amikor elektromos áram folyik át az elemen) irányban végrehajthatók, akkor az ilyen elektródákat és a galvánelemet ún. megfordítható.
A következőkben csak a reverzibilis elektródákat és galvanikus cellákat vesszük figyelembe.
Ha bármilyen fém érintkezik egy elektrolittal, akkor ellentétes előjelű töltések jelennek meg a fémen és az elektrolitban. Ebben az esetben a fém az elektrolithoz képest bizonyos elektromos potenciált szerez, amelyet elektrokémiai potenciálnak nevezünk. Az elektrokémiai potenciálok kialakulását Nernst magyarázta.
Az elektrokémiai potenciál a fém típusától és az elektrolit koncentrációjától függ. Ebben az esetben csak magának a fémionnak a koncentrációja számít az oldatban, mivel a fém és az oldat között csak ionok mozoghatnak. Más ionok jelenléte az elektrolitban nem befolyásolja az elektrokémiai potenciált.
Ha az oldatban a fémionok koncentrációját állandóan tartják, akkor az elektrokémiai potenciál csak a fém típusától függ, és jellemzi annak képességét, hogy az oldatot ionokkal telítse.
Bármely galvánelemnek két elektródája van. A galvánelem EMF-je (nyitott áramköri feszültség) megegyezik az elektródák elektrokémiai potenciáljainak különbségével (j 1 - j 2).
Az elektródákat alkotó fémek elektrokémiai potenciáljának ismeretében meg lehet találni a kémiai áramforrás emf-jét.
A galvánelem emf-je a kémiai reakciók maximális munkája töltésegységre számítva. Durva becsléshez feltételezzük, hogy a maximális munka megegyezik a kémiai reakciók során felszabaduló teljes energiával. Akkor
ahol p 1 és p 2 a reakciók hőhatásai mindkét elektródán (1 kg elektród anyagra számítva);
k 1 és k 2 az elektród anyagának elektrokémiai megfelelői.
A p 1 és p 2 elektródákon végbemenő reakciók termikus hatásai és a k 1 és k 2 elektródák anyagának elektrokémiai ekvivalensei a következőképpen ábrázolhatók:
; ; ; , (7.50)
ahol Q 1 és Q 2 a reakciók termikus hatásai 1 kilogramm atomra vonatkoztatva;
A 1 és A 2 – az elektródák anyagának atomsúlya;
Z 1 és Z 2 – vegyérték;
F – Faraday-szám.
Akkor egy kémiai áramforrás EMF-jére meglesz
. (7.51)
Meg kell jegyezni, hogy a galvánelemekben a kémiai reakciók során felszabaduló energia közvetlenül elektromos áram energiájává alakul. Ez az eljárás nagyobb hatásfokú, mint a hagyományos erőművekben alkalmazott. Ezért a galvánelemek (kémiai áramforrások) alapvetően fontosak.
A galvánelemekből nyert villamos energia költsége azonban lényegesen magasabb, mint a hagyományos erőművekben előállított energia költsége, mivel a cellák nem olcsó üzemanyagot (például szenet), hanem drága anyagokat (például cinket) fogyasztanak. E tekintetben a kémiai áramforrásokat (galvanikus cellákat) csak olyan esetekben alkalmazzák, ahol kevés energia szükséges (ahol a költsége nem játszik szerepet), de fontos az áramforrás hordozhatósága és egyszerűsége.
Ha egy kémiai áramforrást rövidre zárnak egy külső áramkörrel, az áramerősség az áramkörben nem állandó, hanem idővel csökken.
7.7. Elektromos áram az elektrolitokon keresztül.
Ohm törvénye az elektrolitokra
A sók, savak és lúgok vizes és egyéb oldószeres oldatai jól vezetik az elektromosságot. Ez annak köszönhető, hogy az oldott anyag molekulái disszociálnak, azaz. pozitív és negatív ionokra bomlik. Ha az oldódás során nem megy végbe a molekulák disszociációja, akkor az oldat nem elektromos áram vezető.
Határozzuk meg a j áramsűrűséget a folyadékban, azaz. az egy másodperc alatt átvitt töltés az ionmozgás irányára merőleges egységnyi területen (7.17. ábra). Mivel a töltésátvitelt mindkét előjelű ionok végzik, akkor
ahol q + és q - a pozitív és negatív ionok töltése;
n + és n - – ezen ionok koncentrációja;
v + és v - ezen ionok rendezett mozgásának átlagos sebessége.
Figyelembe véve, hogy a megoldás általában semleges, írhatunk
, (7.53)
ahol q bármely előjelű ion töltése;
n az azonos előjelű ionok koncentrációja.
Az ion töltésének mértékét a vegyértékelektronok elvesztése vagy visszatartása határozza meg a molekula disszociációja során. Ha az ion vegyértékét z-vel jelöljük, akkor az ion töltése meglesz
ahol e az elektrontöltés abszolút értéke.
A (7.53) és (7.54) képletet figyelembe véve azt kapjuk
. (7.55)
Az elektromos térben két erő hat az ionokra: az elektromos térből ható erő és a belső súrlódási erő.
Elektromos térerő
ahol E az elektromos térerősség nagysága.
A belső súrlódási erő, ha feltételezzük, hogy az ion r sugarú golyó alakú, akkor Stokes törvénye szerint
, (7.57)
ahol h a folyadék viszkozitási együtthatója.
Állandó mozgásnál (ami az elektromos tér megjelenésével szinte egyidejűleg következik be) F E = F tr, ezért van
, (7.58)
hol van az ion mobilitása.
Így a b ion mobilitása megegyezik az ion sebességének az elektromos térerősséghez viszonyított arányával:
A (7.58) képletből látható, hogy az ionok mobilitása a hőmérséklet emelkedésével nő (a folyadék viszkozitásának csökkenése miatt). Az ionok mozgásának sebessége arányos az elektromos térerősséggel.
Az elektromos áram sűrűségére vonatkozó (7.58) összefüggést figyelembe véve kapjuk
(7.60)
Ahol 
- az elektrolit fajlagos vezetőképessége.
A (7.60) és (7.61) kifejezések az Ohm-törvényt képviselik differenciális formában elektrolitokra.
A (7.60) képletből az elektrolit ellenállása
. 7.62)
Mivel az ionok mobilitása és koncentrációja a hőmérséklet emelkedésével nő, ezért a (7.62) képlet szerint a hőmérséklet emelkedésével az elektrolitok ellenállása csökken.
Az ionok koncentrációja a disszociáció mértékétől függ, amelyet a disszociációs együttható jellemez a. A disszociációs együtthatót az n ion koncentrációjának az oldott anyag n o molekulájához viszonyított aránya határozza meg:
A nem disszociált molekulák koncentrációja
. (7.65)
Egy oldatban mind a molekulák disszociációja, mind az ionok molizációja egyszerre és folyamatosan megy végbe, azaz. az ionokat semleges molekulákká egyesíti. Egyensúlyi körülmények között a molekulák disszociációs és az ionok molesztálási folyamatainak intenzitása, amely az oldat összetételét ellentétes irányba változtatja, egyenlő. A molekulák disszociációja során az egyes előjelű ionok koncentrációjának változásának sebessége arányos a nem disszociált molekulák n" koncentrációjával:
, (7.66)
ahol b az arányossági együttható.
A nem disszociált molekulák koncentrációjának változása az ionok ionizációja következtében arányos a pozitív és negatív ionok koncentrációjának szorzatával:
, (7.67)
ahol h az arányossági együttható.
Egyensúlyi állapotban tehát (7.66) és (7.67) figyelembe vételével egy képletet kaphatunk, amely a disszociációs együtthatót az oldott anyag koncentrációjához köti:
. (7.68)
Nyilvánvaló, hogy a disszociációs együttható az oldott anyag koncentrációjától függ. Nagyon alacsony koncentrációnál (n o » 0) a (7,68) egyenlőség adja
Ha egy<<1, то из (7.68) получаем
. (7.70)
Így a disszociációs együttható az oldott anyag koncentrációjának növekedésével csökken.
Ezt figyelembe véve az elektrolitok áramsűrűségének egyenlete a következőképpen írható fel:
. (7.71)
Az ionok mobilitása és a disszociációs együttható az elektromos térerősség változásának széles tartományán belül nem függ az E elektromos térerősségtől.
Alacsony oldatkoncentráció esetén a disszociációs együttható és az ionmozgások összege (b + + b -) megközelítőleg állandó. Ezért alacsony oldatkoncentráció esetén az elektromos vezetőképesség arányos a koncentrációval. A koncentráció növekedésével az elektromos vezetőképesség koncentrációtól való függése jelentősen bonyolultabbá válik.
Meg kell jegyezni, hogy az elektrolitoszlopon áthaladó áram nagysága bármely szakaszban azonos, bár első pillantásra másnak kell lennie.
Képzeljük el, hogy az 1, 2, 3 elektrolitoszlopnak három szakasza van (7.18. ábra).
Csak a negatív ionok haladnak át az 1. szakaszon, csak a pozitív ionok a 3. szakaszon, és mindkettő áthalad a 2. szakaszon. Ezért úgy tűnik, hogy a 2. szakaszon áthaladó áram nagyobb, mint az 1. és 3. szakaszon. Ez helytelen, az áramnak minden szakaszon azonosnak kell lennie, különben töltés halmozódik fel a szakaszok között. Az elektrolitokban a töltésmegmaradás törvényének teljesülése annak köszönhető, hogy a rendezett mozgás sebessége és a különböző előjelű ionok koncentrációja nem állandó a kiválasztott OX tengely mentén.
Az elektrolitoszlop középső részén a pozitív és negatív ionok koncentrációja megközelítőleg egyenlő, ezért a térfogati töltéssűrűség közel nulla. A negatív ionok felhalmozódnak a pozitív elektródán (anódon). A térfogati töltéssűrűség negatív. A negatív elektród (katód) pozitív tértöltéssel rendelkezik.
ábrán. A 7.19. ábra az elektródák közötti potenciálváltozást mutatja (adott potenciálkülönbség mellett), amelyet a tértöltések okoznak. A folytonos vonal a vákuumban bekövetkező potenciálváltozásnak felel meg, a szaggatott vonal – ugyanabban az elektrolittal töltött térben. ábrán. Összehasonlításképpen a 7.20. ábra mutatja a potenciál változását az elektródák közötti résben, amelybe két rácsot illesztünk. A bal oldali rács negatívan töltődik az anódhoz képest, és negatív tértöltést szimulál. A jobb oldali rács pozitívan töltődik a katódhoz képest, és pozitív tértöltést szimulál. Az elektródák közötti tér potenciálváltozási görbéinek összehasonlítása azt mutatja, hogy a potenciálváltozás az első és a második esetben közel azonos.
Az elektrolitokban az elektromos áram nagyságának állandósága abból adódik, hogy az elektromos áram intenzitása, és ezáltal az ionok rendezett mozgásának sebessége a dielektrikum térfogatának különböző pontjain eltérő. A központi régióban kisebbek, mint más régiókban.
Az élő rendszerek a szervezet minden szintjén nyitott rendszerek. Ezért az anyagok biológiai membránokon keresztül történő szállítása az élet elengedhetetlen feltétele. A membránokon keresztüli anyagok átviteléhez sejtanyagcsere folyamatok, bioenergetikai folyamatok, biopotenciálok kialakulása, idegimpulzus keletkezése stb. társulnak A biomembránon keresztüli anyagszállítás megsértése különféle kórképekhez vezet. A kezelés gyakran magában foglalja a gyógyszerek behatolását a sejtmembránokon keresztül. A gyógyszer hatékonysága nagymértékben függ a membrán permeabilitásától. Az elektrokémiai potenciál fogalmának nagy jelentősége van az anyagok transzportjának leírásában.
Kémiai potenciál ennek az anyagnak m to egy olyan mennyiség, amely számszerűen egyenlő az anyag móljára jutó Gibbs-energiával. Matematikailag a kémiai potenciált a Gibbs-energia G parciális deriváltjaként határozzuk meg a k-adik anyag mennyiségére vonatkoztatva állandó T hőmérsékleten, P nyomáson és az összes többi anyag mennyiségére m l (l¹k).
m k = (¶G/¶m k) P , T , m
A C anyag koncentrációjú híg oldatára:
m = m 0 + RTlnC
ahol m 0 a standard kémiai potenciál, számszerűen megegyezik egy adott anyag kémiai potenciáljával 1 mol/l oldatban.
Elektrokémiai potenciál m- az elektromos térbe helyezett adott anyag egy móljára jutó G Gibbs-energiával számszerűen egyenlő érték.
Híg oldatokhoz
m = m o + RTlnC + ZFj (1)
ahol F = 96500 C/mol a Faraday-szám, Z az elektrolit ion töltése (elemi töltésegységekben), j az elektromos térpotenciál, T [K] a hőmérséklet.
Az anyagok biológiai membránokon keresztül történő szállítása két fő típusra osztható: passzív és aktív.
Mit csinálunk a kapott anyaggal:
Ha ez az anyag hasznos volt az Ön számára, elmentheti az oldalára a közösségi hálózatokon:
| Csipog |
Az összes téma ebben a részben:
Vitebsk
EE "VSU névadója. P. M. Masherova" UDC 577 (075) BBK 28.071ya73 B 63 Megjelent a Tudományos és Módszertani Tanács határozata alapján
A biofizika mint tudomány. Biofizika tantárgy
Elméleti kérdések: 1. Biofizika tantárgy és feladatai. A biofizikai kutatás szintjei; kutatási módszerek és a velük szemben támasztott követelmények. 2. Isto
A biofizika feladatának tárgyai. A biofizika fejlődéstörténete
A biofizika olyan tudomány, amely a bioszisztémákban a szerveződés különböző szintjein előforduló fizikai és fizikai-kémiai folyamatokat vizsgálja, és a fiziológiai aktusok alapját képezi. Megjelenését annak köszönhette
Biofizika módszertana
Mutassuk be a következő fogalmak meghatározását: biofizikai kutatás tárgya, biológiai rendszer, technika, módszer, módszertan. Biológiai rendszer - egymással összefüggő bizonyos minták halmaza
Biológiai folyamatok termodinamikája
Elméleti kérdések: 1. A termodinamika tárgya és módszerei. Termodinamikai alapfogalmak. 2. Állapotparaméterek (intenzív és extenzív) Funkció:
I. Prigogine tétele. Onsager egyenletek
I. Prigogine posztulátuma az, hogy egy nyitott rendszer entrópiájának dS általános változása történhet függetlenül vagy a külső környezettel való cserefolyamatok következtében (deS
Az entrópia és az információ kapcsolata. A biológiai információ mennyisége, értéke
Boltzmann képlete szerint az entrópia az adott makroszkopikus rendszerben lehetséges mikroállapotok számának logaritmusa: S = kB ln W
Biomembránológia. A biológiai membránok szerkezete és tulajdonságai
Elméleti kérdések: 1. Sejtmembránok szerkezete. 2. A biológiai membránok típusai. 3. Fehérjék a sejthártyák felépítésében, felépítésük
A biológiai membránok alapvető funkciói
Az önálló létezésre, fejlődésre és szaporodásra képes elemi élőrendszer élő sejt – minden állat és növény szerkezetének alapja. A lét legfontosabb feltételei
A biológiai membránok szerkezete
A biológiai membránok szerkezetének első modelljét 1902-ben javasolták. Megállapították, hogy a lipidekben jól oldódó anyagok hatolnak át a legjobban a membránokon, és ez alapján készült.
Lipidek fázisátmenetei a membránokban
A különböző hőmérsékleteken, nyomásokon és kémiai komponensek koncentrációiban lévő anyagok különböző fizikai állapotúak lehetnek, például gáznemű, folyékony, szilárd vagy plazma halmazállapotú. Kristályos
A biológiai membránokon keresztüli anyagszállítási folyamatok fizikája
Elméleti kérdések: 1. Anyagok sejtmembránon keresztüli behatolási útvonalai. 2. A membrántranszport hajtóerõi. 3. Szállítás fajtái
Az anyagok passzív transzportja a membránon keresztül
A passzív transzport egy anyag átvitele nagy elektrokémiai potenciállal rendelkező helyekről alacsonyabb értékű helyekre.
Az anyagok aktív szállítása. Ussing tapasztalata
Az aktív transzport egy anyag átvitele alacsonyabb elektrokémiai potenciállal rendelkező helyekről magasabb értékű helyekre. Aktív transzport a membránellenállásban
Elektrogén ionszivattyúk
A modern koncepciók szerint a biológiai membránok ionszivattyúkat tartalmaznak, amelyek az ATP hidrolízis szabad energiájával működnek - az integrált fehérjék speciális rendszerei (
Membránpotenciál
A biológiai membrán egyik legfontosabb funkciója a biopotenciálok generálása és átvitele. Ez a jelenség alapozza meg a sejtek ingerlékenységét, az intracelluláris folyamatok szabályozását, az idegrendszer működését,
Idegimpulzus terjedése ingerelhető rost mentén
Ha a gerjeszthető membrán bármely részében akciós potenciál keletkezik, a membrán depolarizálódik, és a gerjesztés átterjed a membrán más részeire. Tekintsük a gerjesztés terjedését
A sejtmembránok ioncsatornáinak tulajdonságai
A Hodgkin-Huxley elmélet szerinti gerjeszthető membránmodell feltételezi az ionok szabályozott transzportját a membránon keresztül. Az ionok közvetlen átjutása a lipid kettősrétegen azonban nagyon nehéz. Ezért ő vezetett
Szabályozott csatornák és szivattyúk típusai
1) A csatorna „kapuját” egy „karok” rendszere köti össze egy forgatható dipólussal
A membránok részvétele az intercelluláris információ továbbításában
Minden élőlény fontos tulajdonsága az információ észlelésének, feldolgozásának és továbbításának képessége a biológiai membránok segítségével. Annak ellenére, hogy a különféle rendszerek óriási választéka áll rendelkezésre
G fehérjék és másodlagos hírvivők
Az első láncszemtől, a receptortól (R) a jel az úgynevezett N- vagy G-fehérjékhez jut el – membránfehérjékhez, amelyeket a guanozin-trifoszfát (GTP) megkötése aktivál. A G fehérjék képesek információt továbbítani
Az idegimpulzus-vezetés molekuláris alapjai idegrostokban és szinapszisokban
A természet két alapvetően eltérő módszert hozott létre az intercelluláris jelátvitelre. Ezek egyike, hogy az üzeneteket elektromos árammal továbbítják; a második molekulákat használ, n
Speciális mechanizmusok az anyagok biomembránon keresztül történő szállítására (endo- és exocitózis)
A transzportfehérjék biztosítják sok kis poláris molekula behatolását a sejtmembránokon keresztül, de nem képesek makromolekulákat, például fehérjéket, polinukleotidokat szállítani.
A biofizika mint tudomány
1. Remizov A.N. Orvosi és biológiai fizika: tankönyv. egyetemeknek / A.N. Remizov, A.G. Maksina, A.Ya. Potapenko. – M., 2003. – P. 14–17. 2. Biofizika: tankönyv. egyetemeknek / V. F. Antonov [és
A membránok biofizikája. A biológiai membránok szerkezete és funkciói. A biomembránok dinamikája. Lipid membránok modellezése
1. Remizov A.N. Orvosi és biológiai fizika: tankönyv. egyetemeknek / A.N. Remizov, A.G. Maksina, A.Ya. Potapenko. – M., 2003. – P. 184–190. 2. Rubin A.B. A sejtfolyamatok biofizikája. M.
Anyagok szállítása a biológiai membránokon keresztül. Bioelektromos potenciálok
1. Remizov A.N. Orvosi és biológiai fizika: tankönyv. egyetemeknek / A.N. Remizov, A.G. Maksina, A.Ya. Potapenko. – M., 2003. – P. 191–213. 2. Biofizika: tankönyv. egyetemeknek / V.F. Antonov [
Az elektrokémia általános rendelkezései.
Elektrolit oldatok.
A víz elektrolitikus disszociációja.
Galvanikus cella. Daniel–Jacobi elem.
Az elektródpotenciálok megjelenése.
Hidrogén elektróda. Elektródapotenciálok mérése. Szabványos elektródpotenciálok.
Nernst egyenlet.
A hidrogénelektród elektródpotenciálja.
Az elektrokémiai rendszerek osztályozása.
Kémiai láncok.
Redox reakciók.
Elektrolízis.
AZ ELEKTROKÉMIA ÁLTALÁNOS RENDELKEZÉSEI.
Elektrokémia- olyan tudomány, amely az elektromosság hatására bekövetkező folyamatokat vizsgálja, vagy amelyek során elektromosság keletkezik, i. a kémiai és elektromos energia kölcsönös átmenetei.
Az alábbi reakció végrehajtható kémiailag vagy elektrokémiailag.
Fe 3+ +Cu + = Fe 2+ +Cu 2+
Kémiai reakció.
1. A résztvevők közvetlen ütközése ahhoz vezet, hogy az elektron útja nagyon rövid.
2. Az ütközés a reakciórendszer bármely részében bekövetkezik. Ez az interakció irányítatlanságát jelenti.
3. Az energiahatásokat hőben fejezzük ki.
Elektrokémiai reakció.
1. Az elektron útjának nagynak kell lennie az elektron méretéhez képest. Ebből következik, hogy a reakcióban résztvevőket térben el kell különíteni.
2. A reakció résztvevői közötti közvetlen érintkezést fémelektródákkal való érintkezés váltja fel.
3. Reakciótér szükséges.
4. Az elektróda katalizátor - ez a folyamat aktiválási energiájának csökkenéséhez vezet.
Elektrokémiai rendszer alkotóelemei:
1. elektrolitok- olyan anyagok, amelyek olvadékai vagy oldatai elektromos áramot vezetnek,
2. elektródák- elektromos áramvezetők,
3. külső áramkör- az elektródákat összekötő fémvezetők.
Elektrolit oldatok.
Az elektrolitikus disszociáció elmélete.
Az elméletet Arrhenius javasolta 1883-1887-ben, majd később Mengyelejev és Kablukov munkáiban fejlesztették ki.
Ezen elmélet szerint, ha egy elektrolitot vízben oldunk, az ellentétes töltésű ionokra bomlik. A pozitív töltésű ionokat ún kationok; ezek közé tartoznak például a fém- és hidrogénionok (H+). A negatív töltésű ionokat ún anionok, ezek közé tartoznak a savas maradékok ionjai és a hidroxidionok.
Az anyagmolekulák ionokra bomlási folyamatát poláris oldószermolekulák hatására, illetve olvadáskor is ún. elektrolitikus disszociáció. Csak azok a molekulák tudnak ionokká bomlani, amelyek kémiai kötése kellően magas ionossággal rendelkezik.
A molekulák azon részét, amely ionokra bomlik, ún disszociáció fokaés általában -val jelöljük.
Ahol n- a bomlott molekulák száma, N- a molekulák teljes száma
– az elektrolitok mennyiségi jellemzői:
>30% - erős elektrolitok;
3%< >30% - közepes erősségű elektrolitok:
<3% - слабые электролиты.
Az erős elektrolitok közé tartoznak a savak: HClO 4, HCl, HNO 3, HBr, H 2 SO 4; alkáli- és alkáliföldfémek hidroxidjai, sok ionos kristályrácsos só, vízben jól oldódik.
Közepes erősségű elektrolitokhoz - savak: HF, H 3 PO 4, H 2 SO 3; rosszul oldódó fém-hidroxidok, különféle sók.
A gyenge elektrolitok a savak: H 2 CO 3, H 2 S, HCN; a legtöbb szerves sav, d-elemek hidroxidjai, vízben gyengén oldódó sók.
A különböző elektrolitok disszociációs fokát a megfelelő táblázatok adják meg.
Az elektrolitok második mennyiségi jellemzője az disszociációs állandó. Kapcsolat NAK NEK dÉs egy bináris elektrolit példáján keresztül tekinthető. Bináris elektrolit Egy egyszeres töltésű anionból és kationból álló elektrolit.
VAL VEL- az oldat összkoncentrációja;
VAL VEL A- nem disszociált molekulák koncentrációja;
VAL VEL+ - kationok koncentrációja;
VAL VEL– - anionok koncentrációja.
, Ahol VAL VEL +
= C- =
VAL VEL
; C A =
(1-
)VAL VEL
- Ostwald hígítási törvénye.
A disszociáció mértéke az elektrolit koncentrációjától, hőmérsékletétől és nyomásától függ.
Disszociációs állandó K d hőmérséklettől és nyomástól függ.
Disszociációs képességük alapján az elektrolitoknak 4 osztálya van:
1. Indoklás disszociálva OH-t és a fő maradékot képeznek. A disszociáció lépésenként és reverzibilisen megy végbe.
Disszociáció az első szakaszban.
A második szakaszban
2. Savak lépésenként és reverzibilisen disszociálva H + és savmaradék keletkezik.
1. szakasz;
- 2. szakasz.
3. Disszociáció amfoliták a körülményektől függően bázikus vagy savas mechanizmuson keresztül fordul elő.
4. Sók erős elektrolitok. Disszociációjuk visszafordíthatatlan; csatlakozás típusa - ionos.
Az elektrolitikus disszociáció képessége nemcsak magától az elektrolittól függ, hanem az oldószertől is.
A Coulomb-törvény szerint az elektrosztatikus vonzás ( F) két ellentétes töltés (q 1 és q 2), amelyek távolsága r:
a közeg dielektromos állandója, vagyis minél nagyobb a közeg dielektromos állandója, minél gyengébb a részecskék egymással való kölcsönhatása, annál valószínűbb a molekulák ionizációja. Ezért a nagy dielektromos állandójú oldószerek erős ionizáló tulajdonságokkal rendelkeznek. A víz nagy dielektromos állandója nem az egyetlen oka annak, hogy nagy ionizáló hatása van. Az egyedül álló elektronpárokkal rendelkező vízmolekulák dipólus jellege meghatározza a donor-akceptor kölcsönhatás következtében jelentős hidratált ionok képzési képességét, és az ilyenkor felszabaduló ionhidratációs energia kompenzálja a víz elektrosztatikus vonzási erőinek leküzdéséhez szükséges energiát. ionok az anyag kristályrácsában. Az alacsony dielektromos állandójú oldószerekben az ionok továbbra is meglehetősen erősen vonzzák egymást, és ionpárok formájában maradnak meg.
Az elektrokémiai rendszer kvantitatív jellemzője a feszültség - a megfelelően nyitott áramkör potenciálkülönbsége, amely a potenciálugrások előfordulásának összhatása az egyes heterogén interfészeken.
Nézzük meg, mi okozza a potenciálugrás megjelenését a fázishatáron.
Az elektrosztatikában az elektromos tér egy adott pontjában lévő potenciál az a munka, amelyet el kell végezni, hogy egyetlen „képzeletbeli” töltést vákuumban a végtelenből a fázis egy adott pontjába vigyünk át.
A „képzetes” kifejezés arra utal, hogy az átvitt töltés nem lép kémiai kölcsönhatásba a fázissal, és az átviteli munka csak elektrosztatikus kölcsönhatáshoz kapcsolódik. Ennek a munkának az értéke határozza meg a belső potenciált - F.
Nyilvánvaló, hogy amikor egy töltést nem vákuumból egy fázisba, hanem egyik fázisból a másikba viszünk át, akkor az átvitel munkáját is befolyásolni kell, és ez a fázisok megfelelő belső potenciáljainak különbségeként definiálható. a vákuumhoz.
Tekintettel arra, hogy az elektromos térben a töltésátvitel munkája nem függ az átviteli úttól, ez a következő:
φ 1,2 = Ф - Ф (4.4.1)
A belső potenciálok különbségét galvanipotenciálnak nevezzük, és φ-nek (phi) jelöljük.
A valós folyamatokban nem képzeletbeli töltések, hanem valós töltések (elektronok, ionok) vesznek részt. Az ilyen részecskék vákuumból ebbe a fázisba történő átvitelekor munkát is kell fordítani. Ebben az esetben azonban elektrosztatikus kölcsönhatás, valamint a valódi részecske és a fázis közötti kémiai kölcsönhatás erői lépnek fel, amelyek elvileg elektrosztatikusak, de nem korlátozódnak a Coulomb-kölcsönhatásra. Így a vákuumból a valódi részecske fázisába való átmenet mind az elektromos, mind a kémiai átviteli munkák ráfordításával jár.
Ezt a munkát általában nem egy valós részecske, hanem egy mól részecske átvitelének tulajdonítják, és ezt a fázis elektromos potenciáljának nevezik.
Ebben az egyenletben a kémiai munka a kémiai potenciállal, az elektromos munka pedig a belső F-hez kapcsolódik. Az elektrokémiai potenciált joule-ban mérjük, és a töltött részecskék energiaállapotát jellemzi egy fázisban.
Egy mól valódi részecskék fázisról fázisra történő átvitelekor az átviteli munka az elektrokémiai potenciálok különbségével jellemezhető:
= = 
A részecsketranszfer folyamata addig tart, amíg a rendszerben be nem áll az elektrokémiai egyensúly, amelynél , és ezek különbsége nulla lesz. = 0
Akkor írhatunk
A kapott kifejezésből